張富強(qiáng)，焦生杰，馬小康，張 陳

(1. 長安大學(xué) 公路養(yǎng)護(hù)裝備國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2.江蘇集萃道路工程技術(shù)與裝備研究所有限公司，江蘇 徐州 221004)

0 引 言

由于微波加熱技術(shù)具有可選擇性加熱、加熱溫度均勻、對瀝青損害小等優(yōu)勢[1-4]，近年來已在瀝青路面中被廣泛應(yīng)用。關(guān)于吸波材料對微波加熱效率的影響，許多學(xué)者也做了相應(yīng)的研究。1989年，Osborne和Hutcheson在瀝青混合料中加入一種微波吸收劑，來提高微波加熱瀝青混合料的效果。1995年，Long H W在瀝青混合料中加入有較強(qiáng)吸波性能的無煙煤，提高微波加熱瀝青混合料的加熱效率。2003年，David M Hopstock博士提出用鐵燧石替代瀝青混合料中的傳統(tǒng)骨料，來提高道路微波吸收能力，從而達(dá)到快速除冰的目的[5]。許衛(wèi)東的研究表明，在混凝土中加入微波吸波材料，改善了混凝土對微波的吸收能力[6]。范曉正用硫鐵礦燒渣制備成吸波骨料，提高了瀝青混凝土的吸波性能[7]。長安大學(xué)唐相偉、焦生杰等進(jìn)行了道路路面微波除冰效率的相關(guān)研究工作，在瀝青混合料中加入了一種磁性物質(zhì)，使瀝青路面的微波吸收能力明顯增強(qiáng)，道路表面除冰效率提高[8]。安徽理工大學(xué)鄭志濤等通過在AC-16瀝青混合料中添加二氧化錳和玄武巖纖維復(fù)合材料，提高微波對道路表面的修補(bǔ)效率[9]。劉士全研究了碳纖維對碎石封層材料電磁波性能的影響，結(jié)果表明，摻入碳纖維的瀝青碎石封層微波加熱性能得到大幅提高[10]。

1 微波加熱原理

當(dāng)極性分子處于微波場中，在電磁場的作用下，介質(zhì)材料中會(huì)形成偶極子，已有的偶極子會(huì)重新排列，并隨著高頻交變電磁場以高達(dá)每秒數(shù)億次的速度擺動(dòng)。分子要隨著不斷變化的高頻電磁場的方向重新排列，就會(huì)克服分子原有的熱運(yùn)動(dòng)和分子相互作用的干擾和阻礙，產(chǎn)生激烈的摩擦。在這一微觀過程中，微波能量轉(zhuǎn)化為介質(zhì)的熱量，宏觀的表現(xiàn)就是介質(zhì)溫度升高。

介質(zhì)材料由極性分子和非極性分子組成。在電磁場的作用下，介質(zhì)中的極性分子會(huì)改變原來的排布方式，按照電場的極性排列取向。在高頻電磁場的作用下，這些極性分子的取向不斷變化，產(chǎn)生類似“摩擦”的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生熱量。此時(shí)交變電場的場能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)內(nèi)的熱能，使其溫度不斷升高。

由電磁場理論可知，任何一種物質(zhì)在微波電場的作用下，單位體積內(nèi)的功率耗散轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽湮展β?/p>

(1)

由式(1)可知，當(dāng)微波的頻率、電場強(qiáng)度一定時(shí)，單位體積內(nèi)的功率損耗密度材料的相對介電常數(shù)與介質(zhì)損耗角成正比。因此，在瀝青混合料中加入碳黑、磁鐵礦粉、軟磁粉等可以提高瀝青混合料的相對介電常數(shù)和介電損耗正切的吸波材料，能夠提高微波加熱瀝青混合料的效率。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)裝置及儀器

采用以玄武巖為骨料的舊瀝青混合料配制AC-13混合料，并在其中分別加入不同摻量的碳黑、磁鐵礦粉、軟磁粉3種吸波材料，研究其對微波加熱效率的影響。

試驗(yàn)裝置采用單個(gè)波導(dǎo)天線微波加熱源對舊瀝青混合料進(jìn)行加熱。試驗(yàn)裝置由單個(gè)波導(dǎo)天線(頻率為2.45 GHz)、電源、盛料箱1(盛放舊瀝青混合料)、盛料箱2(盛放常溫自來水)、水冷管以及導(dǎo)線組成。試驗(yàn)裝置實(shí)物及示意如圖1所示。測試儀器有手持式熱電偶、電子天平等。

圖1 試驗(yàn)裝置

2.2 試驗(yàn)對象

因需要多次試驗(yàn)，為了避免每次試驗(yàn)對象差異對試驗(yàn)結(jié)果造成的影響，試驗(yàn)中用振動(dòng)篩分儀對以玄武巖為骨料的舊瀝青路面混合料進(jìn)行篩分，篩成不同粒徑的料堆，然后按照級配AC-13配制試驗(yàn)對象，下文統(tǒng)稱為AC-13瀝青混合料。表1為AC-13瀝青混合料的設(shè)計(jì)級配，圖2為AC-13瀝青混合料的級配曲線。

2.3 試驗(yàn)原理

本文采取的試驗(yàn)方法如下：在AC-13混合料中加入不同摻量的吸波材料，再用單個(gè)波導(dǎo)天線對其加熱，通過預(yù)埋在AC-13混合料中的熱電偶的終了溫度來評價(jià)吸波材料對微波加熱效率的影響。通過多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行一種吸波材料摻量的同組試驗(yàn)中，組中試驗(yàn)結(jié)果波動(dòng)太大，熱電偶的終了溫度差異較大，無法穩(wěn)定下來。隨后經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，由于吸波材料摻量太小，導(dǎo)致其與AC-13瀝青混合料充分混合，吸波材料多的地方溫度較高，吸波材料摻量低的地方溫度較低。

表1 AC-13瀝青混合料的設(shè)計(jì)級配

圖2 AC-13瀝青混合料的級配曲線

隨后，本文采用間接方法來測量吸波材料對微波加熱舊瀝青混合料效率的影響，通過容器2中盛放的自來水吸收的能量，來間接反映3種吸波材料摻量對微波加熱舊瀝青混合料效率的影響。采用此試驗(yàn)方法，無論吸波材料與AC-13混合料是否均勻混合，容器2中的水吸收的能量都不會(huì)有太大的波動(dòng)。當(dāng)容器2中AC-13瀝青混合料中加入相應(yīng)摻量的吸波材料時(shí)，相較于不加吸波材料，其吸收的能量會(huì)增加，而容器1中自來水吸收的能量會(huì)減少，通過自來水吸收能量的變化，可以求出吸波材料對微波加熱效率的提升程度。具體試驗(yàn)步驟如下。

步驟一：首先測出當(dāng)容器2中無料時(shí)容器1中自來水的加熱效率。取室溫下一定質(zhì)量的水，記錄其質(zhì)量m1以及溫度t1，放于容器2中。將波導(dǎo)天線放置于容器上方，加熱一定時(shí)間T后，用手持式熱電偶測定水的溫度t2及此時(shí)水的質(zhì)量m2?？梢杂?jì)算出水吸收的總熱量Q1。水吸收的總熱量被分為兩部分利用：一部分熱量q1使水的整體溫升，稱為水吸收的熱量；另外一部分為水局部吸收的熱量q2，導(dǎo)致少量水的氣化，稱為水的氣化熱。那么水在指定時(shí)間T內(nèi)吸收的能量為

Q1=q1+q2=c·m1·(t2-t1)·T+

c·(m1-m2)·(100-t1)·T

(2)

式中：c為水的比熱容；m1、m2分別為加熱前后測量的水的質(zhì)量；t1、t2為加熱前后測量的水的溫度;T為加熱時(shí)間。

試驗(yàn)采用的磁控管功率P為1.6 kW·h-1,可以計(jì)算指定時(shí)間內(nèi)磁控管的輸出能量Q2，水的加熱效率η1=(Q1/Q2)×100%。

步驟二：測出容器1中加AC-13混合料時(shí)，自來水的加熱效率，再計(jì)算出此時(shí)AC-13混合料的吸收效率。在容器1中放入一定質(zhì)量的AC-13混合料，再取室溫下一定質(zhì)量的水記錄其質(zhì)量m3以及溫度t3，放于容器2中。將波導(dǎo)放置于容器上方，加熱一定時(shí)間T后，用手持式熱電偶測定水的溫度t4及此時(shí)水的質(zhì)量m4?？梢杂檬?1)計(jì)算出此時(shí)水吸收的熱量Q3，水的加熱效率η2=(Q1/Q3)×100%。

由步驟一、二可以計(jì)算出不加吸波材料的AC-13混合料的微波吸收效率η11=η1-η2。

步驟三：向AC-13 混合料中分別加入相應(yīng)比例的3種吸波材料，重復(fù)步驟二，則可以計(jì)算出加入相應(yīng)摻量吸波材料的AC-13瀝青混合料的吸收效率。根據(jù)計(jì)算出的AC-13混合料的吸收效率可以得出吸波材料對微波加熱舊瀝青混合料效率的影響。

2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與分析

通過試驗(yàn)得到了碳黑、磁鐵礦粉、軟磁粉3種吸波材料及摻量對微波加熱效率的影響數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析，得到的結(jié)果如表2所示。

為了更加直觀地看出3種吸波材料對微波加熱效率的影響，將整理的數(shù)據(jù)繪制成散點(diǎn)圖，如圖3所示。

通過對表2和圖3的分析，可以得出以下結(jié)論。

(1)對3種吸波材料的種類、摻量對微波加熱效率的影響進(jìn)行研究，證明3種吸波材料均能提高微波加熱瀝青混合料的效率，其中軟磁粉對提高微波加熱舊瀝青混合料效的率效果最好，磁鐵礦粉次之，碳黑效果最差。

表2 碳黑、磁鐵礦粉、軟磁粉3種吸波材料對微波加熱效率的影響

圖3 吸波材料摻量與微波吸收效率

(2)隨著3種吸波材料摻量的逐漸增大，微波加熱舊瀝青混合料的效率逐漸提高。當(dāng)3種吸波材料摻量達(dá)到4%時(shí)，碳黑使微波加熱舊瀝青混合料的效率提高36.74%，磁鐵礦粉使微波加熱舊瀝青混合料的效率提高到達(dá)42.40%，軟磁粉對微波加熱舊瀝青混合料效率提高51.59%。

(3)隨著3種吸波材料摻量逐漸增加，吸波材料對微波加熱舊瀝青混合料效率的提升效果逐漸下降。吸波材料摻量與微波加熱舊瀝青混合料效率并不成正比關(guān)系，隨著吸波材料摻量的增加，其對微波加熱舊瀝青混合料效率的提升效果逐漸衰減。

3 結(jié) 語

綜合以上試驗(yàn)研究，可得出如下結(jié)論。

(1)在瀝青混合料中加入碳黑、磁鐵礦粉、軟磁粉3種吸波材料，均能提高微波加熱瀝青混合料的效率。隨著3種吸波材料摻量的增加，微波加熱效率也隨之提高，其中軟磁粉提升微波加熱效率的效果最好。當(dāng)軟磁粉摻量達(dá)到4%時(shí)，微波加熱效率比不加吸波材料時(shí)提升了51.59%。

(2)隨著3種吸波材料摻量逐漸增加，吸波材料對微波加熱舊瀝青混合料效率的提升效果逐漸下降。摻入2%軟磁粉比摻入1%時(shí)微波加熱效率提高了8.09%，而摻入3%軟磁粉比摻入2%時(shí)微波加熱效率提高了5.30%。

(3)本文只對吸波材料對微波加熱效率的影響進(jìn)行了研究，沒有對吸波材料對微波加熱均勻性及路用性能的影響進(jìn)行研究，建議補(bǔ)充此方面的研究，以確定吸波材料的最佳摻量。